700KW固态高频焊机技术方案.docx
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700KW固态高频焊机技术方案
直缝焊管生产线
700kW固态高频焊机
技术方案
保定四方三伊电气有限公司
2015年4月
一、固态高频焊机技术说明
1．新一代串联型固态高频焊机特点
①固态高频焊机选用德国IXYS公司IXFN38N100Q238A/1000V大功率MOSFET和DSEI2×61-12B60A/1200V快恢复二极管组成串联型逆变电路。
②固态高频焊机采用模块化设计，结构更加紧凑，维护更趋简便，更易实现大功率化。
③具有独特的分桥过流保护技术，保证固态高频焊机使用的安全性。
④融合了国际上同类产品先进的控制理念，采用定角锁相控制、上/下限频率失锁保护等先进控制技术，使设备运行更加稳定、效率更高，对焊管生产中的感应器短路及开路故障的保护更加准确有效。
⑤固态高频焊机的进线端不需要升压/降压整流变压器，与电子管焊机或并联型焊机相比，具有明显的节能效果（与电子管焊机相比，在同等焊接条件下，节电≥30%）。
2．串联型固态高频焊机型号说明
3．串联型固态高频焊机工作原理
3.1串联型固态高频焊机主电路结构
串联型固态高频焊机主电路结构如图1所示，它是一种典型的AC－DC－AC变频结构。
整流器采用三相桥式晶闸管相控整流电路，直流侧采用电感、电容构成LC滤波器以满足电压型逆变器的工作要求。
电压型逆变器采用模块化并联结构以拓展电源功率，每个逆变模块为单相MOSFET桥式电路，各个逆变器模块通过高频匹配变压器和串联谐振槽路相连。
匹配变压器一方面实现功率的合成和阻抗匹配，另一方面实现负载和电源的电气隔离。
整个高频焊机结构紧凑、体积小、维修方便、故障率低。
为对电压型逆变器过流故障进行有效、快速保护，本公司采用了独特的、稳定可靠的过流保护电路，保证了逆变器的安全可靠运行。
图1固态高频焊机电路结构
3.2串联型固态高频焊机的定角控制技术
3.2.1串联型固态高频焊机的工作原理
电压型谐振逆变器也称串联谐振型逆变器，是整个固态高频电源的最关键部分，逆变器模块的结构及其输出电压、电流波形如图2所示。
通过控制MOS管1、3和2、4的交替通断，串联谐振型逆变器的输出电压uH为近似方波，由于逆变器输出电压的频率处于谐振槽路的谐振频率附近，此时谐振槽路对逆变器输出电压基波具有最小阻抗，对其他高次谐波具有高阻抗，因此负载电流iH近似为正弦波。
图2电压型谐振逆变器电路结构及其输出波形
串联谐振逆变器的典型工作状态可分为感性、阻性、容性3种，图3分别示出了这3种工作状态的逆变器输出电压、电流的试验波形。
当串联谐振逆变器工作于小感性状态时（图3a），逆变器的工作频率略高于谐振槽路的固有谐振频率，即负载电流iH滞后于负载电压uH一个电角度
。
此时逆变器的换流有以下特点：
①器件的开通是零电压（ZVS）、零电流（ZCS），理论上器件的开通损耗为零；
②器件的关断是零电压、非零电流，但由于器件的关断电流很小，并且是零电压换流（ZVS），器件关断损耗也很小；
③线路杂散电感对逆变器的换流影响不大；
④换流对MOS的反并联二极管的反向恢复特性没有要求，换流时器件承受的浪涌冲击电压很小。
（a）小感性状态（b）小容性状态（c）阻性状态
图3串联谐振逆变器的输出波形
当串联谐振逆变器工作于容性状态时（图3b），逆变器的工作频率略低于谐振槽路的固有谐振频率，即负载电流iH超前于负载电压uH一个电角度
。
此时逆变器的换流有以下特点：
①器件的关断是零电压（ZVS）、零电流（ZCS），理论上器件的关断损耗为零；
②器件的开通是高电压、大电流，器件的开通损耗非常大；
③线路的杂散电感对逆变器的换流影响很大；
④逆变器换流时，MOS的反并联二极管的反向恢复电流会在逆变回路中产生强烈的电压、电流振荡，换流器件承受很大的浪涌电压冲击，严重威胁到功率器件的安全运行。
当串联谐振逆变器工作于阻性状态时（图3c），逆变器的工作频率等于谐振槽路的固有谐振频率，即负载电流iH和负载电压uH同相位。
阻性状态在理论上是一种最好的换流工作状态，但实际上由于死区时间、阻容吸收电路的影响，逆变器换流器件的工作状态并不好，并且负载的波动极容易使逆变器偏离到容性工作状态，威胁到逆变器的稳定安全运行。
从上述分析可知，串联谐振型逆变器的最佳工作状态为小感性准谐振状态。
另外，和其他公司的并联谐振型高频电源相比，本公司的串联谐振型高频电源不仅器件的开关损耗小、电源效率高，而且对谐振槽路的各种故障都有更好的保护性能。
4．技术参数
①设计参数
●标称功率：
700kW
●额定直流功率：
Pd=840kW
●额定直流电压：
UdN=450V
●额定直流电流：
IdN=1870A
●电源效率：
η≥85%
●输出功率：
Pout＞700kW
●设计频率：
f=150~200kHz
●MOSFET逆变器：
120kW×7
●槽路输出形式：
无焊接变压器输出，次级谐振
②配电要求
●标称功率：
700kW
●额定直流功率：
Pd=840kW
●额定功率因数：
COSφ≥0.9
●配电容量：
S≥930kVA
●供电电压：
三相380V/50Hz
●进线电流：
I=1520A
●进线电缆：
每相采用3根240mm2铜缆并联，三相四线制
③循环软水冷却系统（水—水冷却系统）
●采用水—水热交换器
●内循环水压力：
0.15~0.25MPa
◆内循环水流量：
100m3/h
◆内循环水出水温度：
≤40℃
◆内循环水回水温度：
≤45℃
●热交换器面积：
≥25m2
●外循环水流量：
≥100m3/h（用户提供）
◆外循环水进水温度：
≤35℃
◆进水压力：
0.20～0.3MPa（约为2.0～3kg/cm2）
5．控制与保护核心技术介绍
固态高频焊机采用最先进的定角锁相控制技术，逆变器工作状态不随负载槽路的变化而变化，始终保证工作在最佳的小感性准谐振状态，焊机工作稳定、效率高。
②固态高频焊机具有高/低失锁保护、频率上/下限保护、逆变过流、槽路过压等先进的保护功能，对感应器开路、短路、打火等故障的保护更加准确高效，保证了焊机的安全稳定运行。
③除所有常规保护外，每个逆变桥均采用直流侧过流、交流侧过流、交流侧过压等多重保护，实现了保护的冗余性，保证了逆变器的安全运行。
④整流控制电路采用单片机技术成功地解决了自动认相功能，即对三相电源输入线的相序没有要求；晶闸管的触发电路采用全数字等间距触发，最大限度地降低了非特征谐波，减少了电网污染。
⑤整流控制电路具有软启动、软停止功能，防止在启动/停止过程中电流电压上升率太大，引起焊机过压和过流。
⑥采用匹配变压器实现固态高频焊机和负载的电气隔离和负载匹配，整机效率高、匹配调节容易。
⑦焊机具有较大的功率余量，负载匹配良好时，设备功率至少允许在110%额定功率下长期运行。
⑧采用PLC+触摸屏构成人机界面控制系统，智能化程度高，操作方便。
6．固态高频焊机主要元器件清单
序号
名称
规格型号
制造商
1
线路板
自制
四方三伊
2
晶闸管
KP型2000A/1400V
锦州华晶
3
二极管
ZP型2000A/1400V
锦州华晶
4
滤波电容
4700μF/450V
日本HITACHI
5
MOSFET
IXFN38N10038A/1000V
德国IXYS公司
6
快恢复二极管
DSEI2×61-12A60A/1200V
德国IXYS公司
7
槽路谐振电容
0.65μf/500V
成都麦克
8
开关电源
15V
台湾明纬
9
铁氧体磁芯
E型
西安三联
10
人机界面
TPC7062KX
昆仑通态
11
平波电抗
四方三伊
12
保护电抗
四方三伊
13
循环软水冷却系统
水—水冷却器
四方三伊
14
PLC
S7-200型
德国西门子
15
开关、继电器、交流接触器
LG/富士/施耐德
16
按钮、指示灯
上海二工
二、固态高频焊机组成及简介
1．固态高频焊机组成
全套固态高频焊机由开关整流柜、逆变输出柜、连接光纤、水—水冷却系统、中央控制台、机械调整装置等部分组成。
2．固态高频焊机简介
2.1开关整流柜
将开关柜与整流部分实现一体化设计，除完成开关柜功能外，还具有固态高频焊机的整流控制功能。
●安装进线刀开关、进线电流表、电压表（可切换）和进线电压指示灯；
●安装三相全控晶闸管整流桥，实现高频焊机功率调节。
●安装平波电抗、平波电容及滤波器，以提高平波系数。
2.2逆变输出柜
逆变输出柜实现了谐振逆变器和串联谐振槽路的集成化设计，结构紧凑、效率高。
●逆变部分由MOSFET单相逆变桥并联组成，单桥功率设计为120kW，逆变桥采用积木式方式完成功率叠加，每块桥板均设计为由滑道组成的抽屉式结构，方便安装与维修；
●采用匹配变压器完成功率合成，采用次级谐振、无焊接变压器输出方式，由槽路谐振电容器（低压）与感应器直接谐振，通过输出极板实现钢管焊接所需功率的传递。
●采用密封机箱，安装空调。
2.3连接光纤
由开关整流柜到逆变输出柜的通讯采用光纤连接，保证控制系统不受高频信号的干扰，以提高设备的可靠性。
2.4水-水冷却系统
水—水冷却系统采用板式换热器，完成整流开关柜、逆变输出柜、谐振槽路等发热部件的冷却，设计有水温、液位指示及保护。
2.5中央控制台
实现固态高频焊机的远方操作、功率调节、状态监测及故障诊断功能。
●安装有由PLC和液晶触摸屏构成的人机界面系统，方便用户的现场操作和监控。
●安装有显示高频焊机工作状态的各种交直流表计和操作按钮。
2.6机械调整装置
用于逆变输出柜的安装及感应器位置调整。
三、设备使用要求
1．使用环境要求
●室内安装，加热设备及加热炉接地良好，接地线颜色必须与控制线有明显区别，其截面积>6mm2，接地电阻不大于4Ω。
●海拔高度不超过2000米，否则应降低额定值使用。
●周围环境温度不超过+40℃，不低于-5℃。
●空气相对湿度不大于85%。
●无剧烈振动，无导电尘埃，无各种腐蚀性气体及爆炸性气体。
●安装倾斜度不大于5度。
●安装在通风良好场合。
2．电网电压要求
●电网电压应为正弦波，谐波失真不大于5%。
●三相电压间不平衡度应小于±5%。
●电网输入电压为线电压交流380V，电网电压持续波动范围不超过±10%，电网频率变化不超过±2%（即应在49～51Hz间）。
3．外配水池水质要求
外配水池水质即一次水系统水质的好坏直接水—水冷却系统的运行，从而影响设备的可靠性，建议需方外配水池使用自来水供水，具体要求如下：
●水质要求：
透明、不混浊、无沉淀物、不结垢。
防止水—水冷却系统的一次水管路结垢，影响热交换能力。
●冷却水池最好防杂物进入，防止水—水冷却系统的一次水管路堵塞，从而影响热交换效果。
●建议对冷却水池配置安装冷却塔，以保证冷却水池即水—水冷却系统的一次水温度达到设计要求。
●进水压力：
0.20～0.3MPa（约为2.0～3kg/cm2）。
四、供货清单
设备名称
设备组成/型号
数量
700kW
固态高频焊机
开关整流柜
1台
逆变输出柜
1台
中央控制台
1台
连接光纤
1套
机械调整装置
1台
水—水冷却系统
1台
五、供货范围
1．供方供货范围
●第四部分供货清单所列内容。
●指导设备安装并负责设备调试。
●提供技术培训和操作使用培训。
●提供完善的售后服务和永久性技术咨询。
●优惠提供设备自制件和备品备件。
●设备出口外包装。
2．需方负责提供
●供电变压器、设备间供电动力电缆及控制电缆。
●设备冷却水现场安装管道、一次水系统及冷却用软水。
●根据供方设备平面布置图及安装尺寸，需方负责电气设备的基础设施，包括紧固架、预埋件、垫铁等安装材料。
●安装调试用工具和生产及维修用工具。
●需方负责设备现场吊卸及设备安装和安装调整。
●设备海运及运输保险。
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